DE3501257A1

DE3501257A1 - Circuit arrangement for obtaining the frequency of vortex shedding in volume flow sensors

Info

Publication number: DE3501257A1
Application number: DE19853501257
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr.-Ing. DDR 8020 Dresden Abendroth; Jürgen Dipl.-Ing. DDR 7010 Leipzig Hoffmann; Steffen Dipl.-Ing. DDR 8017 Dresden Seifert; Frank Dipl.-Ing. DDR 7034 Leipzig Stiegler
Original assignee: Medizin und Labortechnik Leipzig VEB
Current assignee: Medizin und Labortechnik Leipzig VEB
Priority date: 1984-04-10
Filing date: 1985-01-16
Publication date: 1985-10-24
Also published as: RO92471A; RO92471B

Abstract

Such volume flow sensors operating in accordance with the vortex principle are to be used with preference for monitoring an automatic and controlled respiration. The aim and object of the invention consist in obtaining the frequency of vortex shedding as a measure of the respiratory volume flow within a wide measuring range by means of a simple circuit configuration. According to the invention, this is achieved by the amplitude-modulated sound signal being conducted via a three-stage amplifier, known per se, to an active demodulator which consists of a limiter amplifier and a multiplier followed by a low-pass filter. The integrated sound IF amplifier A220, for example, from television engineering can be used as the active demodulator.

Description

Schaltungsanordnung zur Gewinnung der Wirbelablösefrequenz beiCircuit arrangement for obtaining the vortex shedding frequency

Volunienstrotasensoren Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Gewinnung der Wirbelablösefrequenz bei Volunienstronisensoren nach dem Vortex-Prinzip. Derartige Volumenstromsensoren sollen bevorzugt zur Uberwachung einer automatischen und kontrollierten Beatmung eingesetzt werden.Volume trotasensors The invention relates to a circuit arrangement for obtaining the vortex shedding frequency in volumetric electronic sensors based on the vortex principle. Volume flow sensors of this type should preferably be used for monitoring an automatic and controlled ventilation can be used.

Nach der DEOS 34 30 577.7 ist ein nach dem Prinzip der Karmanschen Wirbelstraße arbeitender Volumenstromsensor bekannt, dessen Meßstrecke einlaßseitig mit einer parabel- oder hyperbelförmig gestalteten Verengung versehen ist, die eine bessere Wirbelbildung nach einem ihr nachgeordneten Störkörper mit prismatischem Querschnitt bewirkt. Damit wird erreicht, daß in einer dem Störkörper nachgeordneten Ultraschallstrecke auch sehr klein ausgebildete Wirbel bei niedrigen Volumenströmen erfaßt werden. Passiert ein Wirbel diese Ultraschallstrecke, so moduliert er diese sowohl in Amplitude als auch in Phase. Um die Wirbelablösefrequenz als Maß für den Volumenstrom zu erhalten, muß das durch den Ultraschallenipfänger empfangene Signal sicher demoduliert werden.According to DEOS 34 30 577.7, one is based on the Karman principle Eddy street working volume flow sensor is known, the measuring section of which is on the inlet side is provided with a parabolic or hyperbolic constriction, the one better vortex formation after a disruptive body downstream of it with a prismatic Cross section causes. It is thereby achieved that in a downstream of the disruptive body Ultrasonic path also very small eddies with low volume flows can be detected. If a vortex passes this ultrasonic path, it modulates it both in amplitude and in phase. To the vortex shedding frequency as a measure of the To obtain volume flow, the signal received by the ultrasonic receiver must be can be safely demodulated.

Nach der US-PS 4 164 143 ist ein Ultraschall-Flowmeßsystem bekannt, in dem für die Demodulation dieses ampiftudenmodulierten Schallsignals ein Diodendemodulator eingesetzt wird. Derartige Diodendemodulatoren demodulieren ein Signal mit der geforderten Sicherheit, wenn die aufmodulierte Wirbelfrequenz 30 % und größer ist. Diese Jpfindlichkeft genügt jedoch nicht den Anforderungen an die Realisierung eines großen Meßbereiches, wie er in der Beatmungs- und Narkosetechnik gefordert wird. Hier ist es erforderlich, Atemgasvolumenströme in einem Meßbereich von 5 1 min~1... 200 1 minze zu erfassen. Je geringer der Atemvolumenstrom ist, desto kleiner sind die ausgebildeten Wirbel, so daß sich nur eine sehr geringe aufmodulierte Wirbelfrequenz ergibt. Diese ist mit den bekannten Diodendemodulatoren nicht mehr demodulierbar.According to US-PS 4,164,143 an ultrasonic flow measuring system is known, in which a diode demodulator is used to demodulate this ampiftude-modulated sound signal is used. Such diode demodulators demodulate a signal with the required signal Security if the modulated eddy frequency is 30% and greater. This sensitivity however does not meet the requirements for the realization of a large measuring range, as required in ventilation and anesthesia technology. Here it is necessary To record respiratory gas volume flows in a measuring range of 5 1 min ~ 1 ... 200 1 mint. The lower the respiratory volume flow, the smaller the formed vertebrae, so that there is only a very low modulated eddy frequency. This is Can no longer be demodulated with the known diode demodulators.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, mit einem einfachen Schaltungsaufbau die Wirtelablösefrequenz als Maß für den Volumenstrom, insbesondere den Atemvolumenstrom zu erhalten.The aim of the invention is to have a simple circuit structure the vortex shedding frequency as a measure of the volume flow, in particular the respiratory volume flow to obtain.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, durch die in einem großen Meßbereich, wie er in der Beatmungs- und Narkosetechnik erforderlich ist, eine Demodulation des den Volumenstromsensor verlassenden amplitudenmodulierten Schallsignals mit hoher Empfindlichkeit zu realisieren.The object of the invention is to develop a circuit arrangement due to the large measuring range, as used in ventilation and anesthesia technology is required, a demodulation of the amplitude modulated leaving the volume flow sensor Realize sound signal with high sensitivity.

findungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das amplitudenmodulierte Schallsignal über einen an sich bekannten dreistufigen Verstärker an einen mit diesem über einen Kondensator verbundenen Demodulator gelegt ist, daß der aktive Demodulator aus einem Begrenzerverstärker und einem Multiplikator mit einem nachgeschalteten Piefpaß besteht, wobei das amplitudenmodulierte Schallsignal einmal an den Begrenzerverstärker und zum anderen an den Multiplikator gelegt ist, an den gleichzeitig das gewonnene Trägersignal gerührt ist. In der zweiten Verstärkerstufe des Verstärkers ist einem Transistor ein einstellbarer Widerstand nachgeschaltet.According to the invention, the object is achieved in that the amplitude-modulated Sound signal via a known three-stage amplifier to one with this Connected via a capacitor demodulator is placed that the active demodulator from a limiter amplifier and a multiplier with a downstream There is a low pass, the amplitude-modulated sound signal being sent once to the limiter amplifier and on the other hand to the multiplier, to which the won at the same time Carrier signal is stirred. In the second amplifier stage of the amplifier is one An adjustable resistor connected downstream of the transistor.

Das in einem Volumenstromsensor erzeugte amplftudenmodulierte Schailsignal wird in dem dreistufigen Verstärker verstärkt, wobei die erste Verstärkerstufe die Aufgabe der Impedanzwandlung übernimmt und in der zweiten Verstärkerstufe das Schallsignal so verstärkt wird, daß am Ausgang des Verstärkers eine konstante Spannung vorhanden ist. Das verstärkte amplitudenmodulierte Signal wird über den Kondensator ausgekoppelt und dem aktiven Demodulator zur Gewinnung der Wirbelablösefrequenz fW zugeführt. In dem Begrenzerverstärker wird durch eine hohe Verstärkung das Trägersignal fT gewonnen. Dieses wird gleichzeitig mit dem amplitudenmodulierten Signal dem Multiplikator zugeführt, an dessen Ausgang (fT fw) und (fg - f-) als Multiplikationsprodukte entstehen. Durch eine Trägerunterdrückung in dem Tiefpaß steht am Ausgang des aktiven Demodulators das Wirbelsignal zur Verfügung.The amplitude-modulated Schail signal generated in a volume flow sensor is amplified in the three-stage amplifier, the first amplifier stage being the The task of the impedance conversion takes over and the sound signal in the second amplifier stage is amplified in such a way that a constant voltage is present at the output of the amplifier is. The amplified, amplitude-modulated signal is coupled out via the capacitor and fed to the active demodulator for obtaining the vortex shedding frequency fW. In the limiter amplifier, the carrier signal fT won. This becomes the multiplier at the same time as the amplitude-modulated signal supplied, at the output of which (fT fw) and (fg - f-) arise as multiplication products. Carrier suppression in the low-pass filter is available at the output of the active demodulator the vortex signal is available.

Die erfindung soll nachstehend anhand eines AusSührungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit Verstärker und Demodulator und Fig. 2 den Aufbau eines aktiven Demodulators.The invention is intended below on the basis of an exemplary embodiment are explained in more detail. In the accompanying drawings, FIG. 1 shows a circuit arrangement with amplifier and demodulator and FIG. 2 shows the structure of an active demodulator.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist ein piezokeramischer Ultraschallempfänger 1 über einen Kondensator 2 an einen dreistufigen Verstärker angekoppelt. Die erste Verstärkerstufe, bestehend aus drei Widerständen 3, 4, 5 und einem Transistor 6 übernimmt die Aufgabe der Impedanzwandlung und ist über einen Kondensator 7 mit der zweiten Verstärkerstufe verbunden, die aus drei Widerständen 8, 9, 10 sowie einem Widerstand 11 mit parallel geschaltetem Kondensator 12 und einem Transistor 13 mit nachgeschaltetem einstellbaren Widerstand 14 besteht. Über einen Kondensator 15 ist diese mit einer dritten Verstärkerstufe verbunden, in der drei Widerstände 16, 17, 18 mit einem Transistor 19 verschaltet sind und die ausgangsseitig einen Kondensator 20 sowie einen Widerstand 21 und Kondensator 22 aufweist. Der Verstärker ist über den Kondensator 20 einmal über einen Widerstand 23 und einen Kondensator 24 mit dem Eingang 14 eines aktiven Demodulators 25, zum anderen über einen Widerstand 25 und einen Kondensator 27 mit dem Eingang 13 und über einen Kondensator 28 mit dem Eingang 7 des Demodulators 25 verbunden. Als aktiver Demodulator kann z. B. der integrierte Ton-ZF-Verstärker A 220 aus der Fernsehtechnik verwendet werden. Der Eingang 14 des Demodulators ist an einen Begrenzerverstärker 29 und die Eingänge 7 und 13 sind an einen Multiplikator 30 geführt. Der Begrenzerverstärker 29 ist mit dem Multiplikator 30 verknüpft.As shown in Fig. 1, is a piezoceramic ultrasonic receiver 1 coupled to a three-stage amplifier via a capacitor 2. The first Amplifier stage, consisting of three resistors 3, 4, 5 and a transistor 6 takes over the task of the impedance conversion and is via a capacitor 7 with connected to the second amplifier stage, which consists of three resistors 8, 9, 10 as well as a resistor 11 with a capacitor 12 connected in parallel and a transistor 13 with an adjustable resistor 14 connected downstream. Via a capacitor 15 this is connected to a third amplifier stage, in the three resistors 16, 17, 18 are connected to a transistor 19 and the output side one Has capacitor 20 and a resistor 21 and capacitor 22. The amplifier is via the capacitor 20 once via a resistor 23 and a capacitor 24 to the input 14 of an active demodulator 25, on the other hand via a resistor 25 and a capacitor 27 to the input 13 and via a Capacitor 28 is connected to input 7 of demodulator 25. As an active demodulator can e.g. B. used the integrated audio IF amplifier A 220 from television technology will. The input 14 of the demodulator is connected to a limiter amplifier 29 and the inputs 7 and 13 are connected to a multiplier 30. The limiter amplifier 29 is linked to the multiplier 30.

An den Ausgang 8 des Demodulators sind ein Tiefpaß 31 als gondensator sowie ein Koppelkondensator 32 angeschlossen. Die Eingänge 2 und 9 sind über Kondensatoren 33 und 34 an Masse gelegt und der Eingang 11 ist mit einem Widerstand 35 und einem Kondensator 36 belegt.At the output 8 of the demodulator are a low-pass filter 31 as a capacitor and a coupling capacitor 32 is connected. Inputs 2 and 9 are via capacitors 33 and 34 connected to ground and the input 11 is connected to a resistor 35 and a Capacitor 36 occupied.

Am Ausgang 8 des aktiven Demodulators 25 steht durch die zusätzliche Trägerunterdrückung durch den Tiefpaß 31 die Modulationefrequenz bzw. das Wirbelsignal fW zur Verfügung. Mittels des aktiven Demodulators 25 ist es möglich, daß die im Meßbe--1 .1 reich von 5 1 min~1... 200 1 mU1 liegenden Ateavolumenströme sicher erfaßt und über den gesamten Bereich das Wirbelsignal SW gewonnen werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch den einetellbaren Widerstand 14 in der zweiten Verstärkerstufe die durch die unterschiedliche Empfindlichkeit der Ultraschallwandler entstehenden exemplarbedingten Streuungen der Eingangsspannung kompensiert werden. Dadurch steht am Ausgang des dreistufigen Verstärkers ständig eine konstante Spannung zur Verfügung.At the output 8 of the active demodulator 25 stands by the additional Carrier suppression through the low-pass filter 31, the modulation frequency or the vortex signal fW available. By means of the active demodulator 25, it is possible that the im Measuring range 1 .1 from 5 1 min ~ 1 ... 200 1 mU1 lying air volume flows safely detected and the vortex signal SW can be obtained over the entire area. A Another advantage is that the adjustable resistor 14 in the second amplifier stage due to the different sensitivity of the ultrasonic transducers Any scattering of the input voltage caused by the example can be compensated. This means that there is always a constant voltage at the output of the three-stage amplifier to disposal.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Ultraschallempfänger 2 Kondensator 3 Widerstand 4 Widerstand 5 Widerstand 6 Transistor 7 Kondensator 8 Widerstand 9 Widerstand 10 Widerstand 11 Widerstand 12 Kondensator 13 Transistor 14 Widerstand, einstellbar 15 Kondensator 16 Widerstand 17 Widerstand 18 Widerstand 19 Transistor 20 Kondensator 21 Widerstand 22 Kondensator 23 Widerstand 24 Kondensator 25 aktiver Demodulator, integrierter Ton-ZF-Verstärker A 220 26 Widerstand 27 Kondensator 28 Kondensator 29 Begrenzerverstärker 30 Multiplikator 31 Tiefpaß 32 Koppelkondensator 33 Kondensatör 34 Kondensator 35 Widerstand 36 Kondensator - Leerseite -List of the reference symbols 1 used, ultrasound receiver 2 Capacitor 3 resistor 4 resistor 5 resistor 6 transistor 7 capacitor 8 Resistor 9 Resistor 10 Resistor 11 Resistor 12 Capacitor 13 Transistor 14 Resistor, adjustable 15 Capacitor 16 Resistor 17 Resistor 18 Resistor 19 transistor 20 capacitor 21 resistor 22 capacitor 23 resistor 24 capacitor 25 active demodulator, integrated audio IF amplifier A 220 26 resistor 27 capacitor 28 Capacitor 29 Limiter amplifier 30 Multiplier 31 Low-pass filter 32 Coupling capacitor 33 capacitor 34 capacitor 35 resistor 36 capacitor - Blank page -

Claims

Patent claim 1. Circuit arrangement for obtaining the vortex shedding frequency in the case of volume flow sensors, in particular for measuring the respiratory volume flow which an amglitude-modulated sound signal is applied and which consists of a three-stage Amplifier and a demodulator connected to it via a capacitor, It is characterized in that the active demodulator (25) consists of a limiter amplifier (29) and a multiplier (30) with a downstream low-pass filter (31), the amplitude-modulated sound signal being sent once to the limiter amplifier (29) and on the other hand to the multiplier (30), to which the won at the same time Carrier signal is performed.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that in the second amplifier stage of the amplifier a transistor (13) an adjustable Resistance (14) is connected downstream.